Шпаргалка по химической связи и строению молекул: типы связей, гибридизация (sp, sp2, sp3), метод ОЭПРО, ТВС, ТМО и силы Ван-дер-Ваальса. Формулы Полинга, дипольный момент, и геометрия молекул.
1. Основные количественные характеристики связи
Относительная электроотрицательность (ОЭО)
Шкала Полинга определяет электроотрицательность элементов:
$$\chi_A - \chi_B = 0.102 \cdot \sqrt{E_d(AB) - \frac{E_d(A_2) + E_d(B_2)}{2}}$$Где \(E_d\) — энергия диссоциации связи (в кДж/моль).
Дипольный момент молекулы ($\mu$)
Характеризует полярность связи или молекулы:
$$\vec{\mu} = q \cdot \vec{l}$$\(q\) — эффективный заряд, \(l\) — длина диполя (вектор связи).
1 Дебай (Д) = \(3.33564 \times 10^{-30}\) Кл·м.
Степень ионности связи ($i$)
Оценивается по разности электроотрицательностей ($\Delta\chi$):
$$i = 1 - e^{-0.25(\chi_A - \chi_B)^2}$$Показывает долю ионности в зависимости от разности ОЭО.
2. Типы химической связи
| Тип связи | Механизм образования | Характерные черты | Примеры |
|---|---|---|---|
| Ковалентная |
Перекрывание АО с образованием общих электронных пар. Обменный: \(A\cdot + \cdot B \rightarrow A:B\) Донорно-акцепторный: \(A: + \square B \rightarrow A:B\) |
Направленность, насыщаемость, поляризуемость. | \(H_2, O_2, NH_4^+, CO\) |
| Ионная |
Электростатическое притяжение противоположно заряженных ионов. \(A + B \rightarrow A^+ + B^-\) |
Ненаправленность, ненасыщаемость. | \(NaCl, CsF, K_2SO_4\) |
| Металлическая |
Притяжение катионов металлов к общему "электронному газу". \(M^0 - ne^- \rightleftharpoons M^{n+}\) |
Высокая электро- и теплопроводность, ковкость. | \(Fe, Cu, Al\) |
| Водородная |
Электростатическое + частичное донорно-акцепторное притяжение: \(X-H \cdots Y\) (где X, Y — элементы с высокой ОЭО: F, O, N). |
Слабая (8–40 кДж/моль), определяет структуру белков и ДНК. | \(H_2O, HF\), спирты |
3. Теории ковалентной связи
Теория валентных связей (ТВС / VB)
Связь образуется при спаривании спинов электронов на перекрывающихся АО.
- $\sigma$-связь: перекрывание вдоль оси связи (s-s, s-p, p-p).
- $\pi$-связь: боковое перекрывание p- или d-орбиталей (над и под осью).
Порядок связи ($N$) по ТВС:
$$N = \text{Число общих электронных пар}$$Теория молекулярных орбиталей (ТМО / MO LCAO)
Молекула рассматривается как единое целое. МО создаются комбинацией АО:
$$\Psi_{MO} = c_A \psi_A \pm c_B \psi_B$$Порядок связи по ТМО:
$$N = \frac{N_{\text{связ}} - N_{\text{разр}}}{2}$$Если \(N > 0\), молекула устойчива. Если \(N = 0\), молекула не существует (напр., \(He_2\)).
4. Геометрия молекул: Гибридизация и метод ОЭПРО
Метод отталкивания электронных пар валентных оболочек (ОЭПРО) и тип гибридизации определяют форму молекулы:
| Тип гибридизации | Число гибридных АО | Геометрическая форма | Угол связи | Примеры |
|---|---|---|---|---|
| \(sp\) | 2 | Линейная | \(180^\circ\) | \(BeCl_2, C_2H_2, CO_2\) |
| \(sp^2\) | 3 | Правильный треугольник | \(120^\circ\) | \(BF_3, C_2H_4, SO_3\) |
| \(sp^3\) | 4 | Тетраэдр | \(109.5^\circ\) (\(109^\circ 28'\)) | \(CH_4, CCl_4, SiH_4\) |
| \(sp^3\) (1 неподеленная пара) | 4 (3 связи) | Тригональная пирамида | \(\approx 107^\circ\) | \(NH_3, PCl_3\) |
| \(sp^3\) (2 неподеленные пары) | 4 (2 связи) | Уголковая (V-образная) | \(\approx 104.5^\circ\) | \(H_2O, H_2S\) |
| \(sp^3d\) | 5 | Тригональная бипирамида | \(90^\circ, 120^\circ\) | \(PCl_5\) |
| \(sp^3d^2\) | 6 | Октаэдр | \(90^\circ\) | \(SF_6\) |
5. Межмолекулярные взаимодействия
Силы Ван-дер-Ваальса
Полная энергия межмолекулярного взаимодействия включает три составляющие:
$$E_{\text{полн}} = E_{\text{ориент}} + E_{\text{индукц}} + E_{\text{дисперс}}$$- Ориентационное (эффект Кеезома): между постоянными диполями. $$E_{\text{ориент}} \propto -\frac{\mu_1^2 \cdot \mu_2^2}{r^6 \cdot T}$$
- Индукционное (эффект Дебая): между постоянным и наведенным диполем. $$E_{\text{индукц}} \propto -\frac{\mu^2 \cdot \alpha}{r^6}$$
- Дисперсионное (эффект Лондона): между мгновенными диполями (универсальное). $$E_{\text{дисперс}} \propto -\frac{h \cdot \nu \cdot \alpha^2}{r^6}$$
Где \(\mu\) — дипольный момент, \(\alpha\) — поляризуемость, \(r\) — расстояние между молекулами, \(T\) — температура, \(\nu\) — частота колебаний.